常用直流电流检测技术研究

常用直流电流检测技术研究

郭庆

国网山西省公司大同供电公司山西省大同市037008

摘要：简述了直流检测的研究背景和发展情况，详细介绍了分流器、霍尔传感器和磁通门传感器3类常见的直流检测方法，并重点分析了各自的优缺点。基于性能的对比，最后提出了在低压直流电器产品中的应用。

关键词:直流检测;分流器;霍尔传感器;磁通门传感器

近年来，随着光伏发电、风力发电等新能源系统的不断发展，配电网结构正逐步发生改变。大量分布式能源和直流负荷接人传统交流电网，对提升供电效率和质量可靠性的需求越来越迫切，能够综合发挥交流配电和直流配电各自优点的混合供电系统正受到普遍的关注与研究。快速发展的直流配电系统因损耗小，没有无功功率，不会因变流产生谐波、尖峰电压、功率损耗等优点，在电化学、电解电镀、电力牵引、数据中心、电动汽车、不间断电源等系统广泛应用。新型直流保护需求随之日益明显，作为实现直流配电保护电器中各种保护、测量、监视与控制等功能的基础，直流电流检测尤为关键，是不可或缺的重要组成部分。与交流配电系统类似，直流配电系统同样存在着过载、短路、接地故障等问题，但由于直流电流的特殊性，传统交流保护电器无法直接替代应用，需要直流万能式断路器、直流塑壳断路器、直流小型断路器和直流剩余电流保护电器等直流专用电器提供保护。

一、常用直流检测方法

1.1分流器法

分流器法是依据欧姆定律的测量方法，也是人们测量直流电流最早采用的手段之一，属于非隔离式的直接测量方法。通过在仪表内部或回路中加装一个电阻，得到与主回路电流大小直接关联的模拟信号，故可分为内置和外置两种方式。内置分流器和外置分流，内置分流器和外置分流器在内置式测量方法中，电流表内部并联电阻可以扩大电流测量的范围，但由于实际应用中测量电流全部流过仪表，会导致严重的发热问题，同时还需要采用较粗的导线来连接仪表，因此该方法未能在断路器中推广应用。在外置式测量方法中，电阻串接在被测电流回路，通过检测电阻两端的电压降，即可由欧姆定律推导出实际电流的大小。由于分流器的阻值很小，不影响主回路的正常工作，故得到了广泛的应用，并通过不同规格等级的选用，满足不同电流检测的需求。

1.2霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应进行磁电转换的器件，可用于监视和测量与磁信号有关的技术参数，是低压电器领域检测直流电流的常用方法。霍尔传感器可分为直放式和磁平衡式两种类型。直放式霍尔传感器又称为开环霍尔传感器。其中有1个闭合磁路的铁心，霍尔元件放置在铁心的开口气隙中，通过检测磁场信号转换输出电压信号，再经运算放大器电路进行信号放大，得到可以用来标定电流大小的电压值。磁平衡式霍尔传感器又称为闭环霍尔传感器，在直放式霍尔电流传感器的基础上增加了推挽电路、二次侧补偿线圈等电路。霍尔元件将磁场信号转换为电压信号，而后经运算放大器和推挽。霍尔传感器工作原理电路，形成补偿电流反馈至二次侧线圈。该补偿电流产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，从而使磁芯达到磁平衡(零磁通)的状态，此时通过测量连接在补偿回路的测量电阻的两端电压，即可标定一次侧电流的大小。

1.3磁通门传感器

磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁心在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器，通常以环形磁通门磁调制器的方式应用在行业产品中。根据不同的设计尺寸和精度要求，又可分为单铁，心磁调制器和双铁，心磁调制器。在高磁导率材料制成的铁心上分别绕制激磁绕组矶、一次绕组N1、二次绕组N2。交变对称的激励源1，激励铁心处于双向交替饱和的状态，由于铁心磁化曲线的对称非线性，二次绕组输出波形也呈对称非线性的形式。当一次绕组中出现直流电流时，其产生的偏置磁场破坏了磁通的对称性，使得二次绕组感应电动势中则出现偶次谐波分量，通过检测偶次谐波即可标定一次绕组中的直流电流。

二、检测方法对比与应用

2.1检测方法的优缺点对比

采用分流器原理测量电流，不受被测电流波形影响，测量电路简单，测量范围广，不需要辅助电源，而且具有较好的抗磁场干扰的能力。但在实际产品应用中，也存在一些缺陷:对结构有一定的要求，需要将主回路切断来串接分流器，且无法实现隔离测量;易受温度影响，一方面环境温度变化会引起阻值变化，另一方面载流时自身功耗较大，产生热量引起阻值变化。采用霍尔传感器测量电流，可以对任意波形的电流进行隔离检测。其中直放式霍尔传感器外围电路形式简单，成本相对较低，但由于其精度和线性度较差、响应时间较慢、温度漂移较大，在实际应用中有一定的局限性;磁平衡式霍尔电流传感器可以有效地减小磁滞现象带来的影响，降低对铁心和霍尔传感器线性工作的依赖性，在直流、交流和混合电流等多种电流检测中都能发挥作用，其精度高、线性度好而且反应迅速，同时还具有高带宽、低插入损耗和低增益漂移等优点，但是相比于直放式霍尔传感器，成本更高、耗电量更多、体积更大。单铁心磁调制器结构简单，实现方式简便，响应速度快，但受限于输出信号中包含了幅值较大的奇次谐波分量，影响了检测精度;双铁心磁调制器因输出信号不产生奇次谐波，检测精度和灵敏度大幅提升。当磁调制器设计成零磁通工作状态时，其检测精度、线性度、温度性能和稳定性均优于霍尔传感器。

2.2主要应用情况

2.2.1直流主回路电流检测

目前在直流断路器产品中，测量值是主回路的电流，电流量级较大。根据不同的结构要求，通常采用分流器或者霍尔传感器这两种型式的检测元件进行直流电流的检测，并基于此实现过电流保护功能。分流器的电流端接人主回路，将电流信号转换为电压端的电压信号，输出至电子控制器处理。鉴于温度系数对于其影响较大，一方面需要选择低温度系数的锚铜合金或者镰锚合金，另一方面在电子控制器侧对自身负载效应进行软件校准和补偿。隔离精度高量程宽量程宽线性度好结构简单检测精度高量程较宽灵敏度高增益漂移小响应速度快测量范围宽成本较高精度相对低温度敏感奇次谐波大结构较复杂抗干扰差成本略高成本较高结构复杂在实际产品应用中，霍尔传感器被穿于主回路中进行信号采集。由于霍尔传感器实现的伏安转换是隔离于主电路的，输出信号可直接经电子控制器调理后发给微处理器。鉴于温度也是影响输出特性的重要因素，一方面需要对于输出的非线性和温度的变化影响进行校准，另一方面应做好抗干扰性的设计。基于成本和测量精度等的综合考虑可以分别考虑直放式或者磁平衡式。

2.2.2直流剩余电流检测

应用在直流剩余电流保护电器中，测量值是主回路电流的矢量和，电流量级较小。无法隔离采集的分流器显然不适用于剩余电流的检测，而霍尔传感器在检测毫安级的信号时，易受外部磁场干扰的缺点被放大，直接影响检测精度。因此，在具有直流剩余电流检测能力的保护电器中，磁调制器是常用的检测方法。国外互感器厂商早期就围绕行业应用开发了不少磁调制器，如瑞士的LEM公司。相较于测量精度高、结构复杂、成本高的双铁心磁调制器，单铁心磁调制器在直流剩余电流检测中较为适用。一方面满足低压电器内部紧凑的空间布局，另一方面性能与成本较好地符合产品标准和市场定位。在实际产品应用中，需要根据主回路布局选择合适的铁心、激励方式、解调电路等形成磁调制器，而外围电路则只要根据输出电压信号完成放大、比较、驱动等后续处理。器弹簧系统的运动过程进行了仿真分析，并利用弹簧拉压试验机对仿真结果进行了验证。通过对弹簧三维仿真结果进行分析，得到以下结论:(1)弹簧在触头压缩过程中对触桥的作用力并非局限于单一方向上，而弹簧对触桥X轴方向的作用力是导致触头偏移运动原因之一。(2)在该高压直流继电器中，截锥螺旋压缩弹簧对触桥所提供的X轴方向上的力比圆柱螺旋压缩弹簧小。本文的研究为后续进行高压直流继电器虚拟样机优化设计奠定了基础。

结语

随着直流配用电系统的大力发展和直流负载的不断增多，在低压电器领域，越来越多的直流电器被开发应用，对直流检测的需求越来越明显，检测要求也越来越高。在面向多种应用场合、不同功能需求的时候，选用适当的检测方法显得尤为重要。与此同时，直流检测技术也在不断发展完善，不仅基于磁、光、电转换效应拓宽了直流检测的方法，还基于集成电路和芯片技术简化了实现直流检测的形式，提高了检测精度、响应速度、可靠性等综合性能，为深人的行业应用穷实了基础。

参考文献

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